专利名称：直流等离子体化学气相沉积设备的制作方法
技术领域：
本发明是一种直流等离子体化学气相沉积设备，属于直流等离子 体化学气相沉积设备的创新技术。
背景技术：
现有直流等离子体化学气相沉积设备，如中国专利公开号为 CN1263953A中公开了一种"工业型脉冲直流等离子体化学气相沉积工模具 表面强化设备"和中国专利公开号为CN2886729Y中公开了一种"直流辉光 等离子体实验装置"，如图1所示，其通常包含供气系统、抽气系统、冷却 系统、接地的钟罩式炉体l、具有热辐射和屏蔽双重作用的屏蔽罩2、炉体 1内壁均勻分布的带状加热体3、与气体供给系统12相连通的通气管4、 待处理工件5、衬底支架，由电极6、支撑阴极盘7、双屏蔽阴极8、屏蔽 罩内侧滑道上配置的辅助阳极14组成的源气体激活装置、由脉冲直流电源 10 、加热及控制系统ll，其中供气系统由用于生长沉积的源气体12及管 道组成。抽气系统由真空泵9、抽气管道及真空测量仪表9组成。冷却系 统由电极冷却管道和管道阀门构成，另外，待处理工件5上装有热电偶13, 炉体l上设有观测窗15。直流等离子体化学气相沉积薄膜的方法一般是在 阴极8和阳极14之间产生辉光放电形成等离子体使反应气体发生活化反 应，反应产物在衬底(阴极)上沉积形成薄膜。这种设备缺点是只能进行 单一的直流等离子体化学气相沉积，不能同时在真空下对样品进行热蒸发 处理。
另外，还有几种化学气相沉积方法联合制备的复合设备，如中国专利
公开号为CN2666928Y中公开了 "一种等离子热丝法化学气相沉积金刚石膜 的装置"，该设备在传统的热丝化学气相沉积设备的热丝上方，加一个上电 极，以衬底支架作下电极，两电极之间加上直流电压作为偏压，并在两电 极之间产生等离子辉光放电。中国专利公开号为CN2820878Y中公开了一种 "等离子增强热丝化学气相沉积薄膜装置"，类似于上述中国专利公开号为 CN2666928Y的专利，不同之处在于上、下电极不仅可以与直流电源，还可
以与脉冲电源，或射频电源的两电极相连。以上两专利设备是将热丝化学 气相沉积和直流等离子体化学气相沉积两种设备在一定程度上进行了复 合，没有涉及到热蒸发装置，不能在线实时对样品进行热蒸发处理。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种既可进行直流等离子体化 学气相沉积处理工艺，又可同时进行热蒸发处理工艺的直流等离子体化学 气相沉积设备。本发明具有直流等离子体和热蒸发处理组合功能的优点， 其设计合理，结构简单，方便实用。
本发明的技术方案是包括有沉积反应室、两端分别与沉积反应室 相通及与抽气系统连接的管道、用来放置和夹持要制备材料的衬底的衬 底支架、由直流等离子体激活部分组成的源气体激活装置，其包含上电 极、下电极、与冷却系统相通的电极冷却管道和对电极供电的直流电源， 上电极及下电极分别置于沉积反应室的上部及下部，直流电源分别与上 电极及下电极连接，其中上电极板和衬底之间设有平行放置的热蒸发装 置，热蒸发装置包括有热蒸发丝及对热蒸发丝供电的热蒸发丝电源，热 蒸发丝安装固定于沉积反应室底座上的热蒸发支架上，热蒸发丝通过沉 积反应室上的接线柱与置于沉积反应室外的热蒸发丝电源相接。
上述热蒸发支架为安装固定于沉积反应室底座上的若干垂直支撑 杆，热蒸发丝与支撑杆连接处用螺丝固定。
上述热蒸发丝沿垂直的支撑杆可上下移动调节其在支撑杆上的位 置，可调节其到衬底上样品的距离。
上述热蒸发丝用高熔点金属丝制作，需蒸发材料放置于悬挂在热蒸 发丝上的小舟内；或用需要蒸发、含有需要蒸发材料的低熔点金属丝制 作。
上述热蒸发丝可用钨丝、钽丝或铼丝制作。
上述上电极为含有气体喷射单元和液体冷却液的电极，其位于热蒸 发丝的上方，安装于沉积反应室的上部，其内设有连接于冷却液管道上 的冷却液孔洞，上电极到下电极之间的距离可调节，上电极经位于沉积 反应室上部的上电极接线柱引出，下电极为具有液体冷却功能的电极。 上述衬底支架内设有连接于电极冷却管道上的冷却液孔洞。 上述衬底支架上装设有与衬底温度控制器连接的热电偶，衬底温度 控制器设置在沉积反应室外侧。
上述下电极能直接用衬底支架作下电极；或单独制作下电极平板，
位于衬底支架的下方，安装于沉积反应室下部，下电极经位于反应室下 部的下电极接线柱引出。
上述上电极及下电极用耐高温、电子脱出功小的材料做出；沉积反 应室上还设有沉积反应室窗口 ；热蒸发丝由热蒸发丝阵列组成。
本发明由于釆用在上电极板和衬底之间设有平行放置的热蒸发装 置的结构，因此，本发明具有如下优点和效果
(1)在工业生产中，将样品从直流等离子体沉积和热蒸发处理两 独立工艺设备中的一种工艺送往另一种工艺中，会暴露于大气，造成污 染。本发明为含有两种工艺的复合设备，可以在真空下分别进行两种工 艺，而样品不必暴露于大气，避免大气污染。同时其工序简单，可降低 成本。
(2) 本发明可以在直流等离子体沉积制备材料过程中，同时利用 热蒸发装置对样品材料进行热处理。
(3) 本发明在电子器件制备过程中，可以利用热蒸发装置进行在 线制备电极、封装，提髙器件的成品率。
(4) 本发明在电子材料直流等离子体制备过程中，可以利用热蒸
发装置进行掺杂处理。
本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的直流等离子体化学 气相沉积设备。
图1是现有技术相关装置的原理图。
图2是本发明用于材料制备的化学气相沉积设备的原理图。 图3是本发明用于材料制备的化学气相沉积设备的真空反应室内源 气体激活装置和热蒸发装置的主视图。
图4是图3中所示热蒸发丝均匀线性排列的俯视图。 图中1、接地的钟罩式炉体，2、具有热辐射和屏蔽双重作用的屏 蔽罩，3、炉体1内壁均勾分布的带状加热体，4、与气体供给系统12 相连通的通气管，5、待处理工件，6、电极，7、支撑阴极盘，8、双屏 蔽阴极，9、真空系统，10 、脉冲直流电源，11、加热及控制系统，12、 气体供给系统，13、热电偶，14、屏蔽罩内侧滑道上配置的一辅助阳极， 15、观测窗，16、含有气体喷射单元和液体冷却液的上电极，17、沉积 反应室，18、衬底，19、衬底支架，20、管道，21、电极冷却管道，22、 热电偶，23、衬底温度控制器，24、热蒸发丝，25、接线柱，26、直流 等离子体激活部分直流电源，27、热蒸发丝电源，28、沉积反应室窗口， 29、下电极，30、热蒸发丝阵列。
具体实施例方式
实施例
本发明的原理图如图2所示，包括有沉积反应室17、两端分别与沉 积反应室17相通及与抽气系统连接的管道20、用来放置和夹持要制备 材料的衬底18的衬底支架19、由直流等离子体激活部分组成的源气体 激活装置，其包含上电极16、下电极29、与冷却系统相通的电极冷却 管道21和对电极供电的直流电源26，上电极16及下电极29分别置于 沉积反应室17的上部及下部，直流电源26分别与上电极16及下电极 29连接，其中上电极板16和衬底18之间设有平行放置的热蒸发装置， 热蒸发装置包括有热蒸发丝24及对热蒸发丝供电的热蒸发丝电源27， 热蒸发丝24安装固定于沉积反应室17底座上的热蒸发支架上，热蒸发 丝24通过沉积反应室17上的接线柱25与置于沉积反应室17外的热蒸 发丝电源27相接。对电极供电的直流电源26的输出端分别连接于上电 极16及下电极29的引线上，电源功率大小足够提供上电极16、下电极 29单独激发源气体或混合源气体的部分组份，以满足在衬底18上沉积 材料的要求。
本实施例中，上述热蒸发支架为安装固定于沉积反应室17底座 上的若干垂直支撑杆，热蒸发丝24与支撑杆连接处用螺丝固定。上 述热蒸发丝24沿垂直的支撑杆可上下移动调节其在支撑杆上的位 置，可调节其到衬底上样品的距离。
上述热蒸发丝24用高熔点金属丝制作，需蒸发材料放置于悬挂在 热蒸发丝24上的小舟内；或用需要蒸发、含有需要蒸发材料的低熔点 金属丝制作。本实施例中，上述热蒸发丝24可用锡丝、钽丝或铼丝制 作。
本实施例中，上述上电极16为含有气体喷射单元和液体冷却液 的电极，其位于热蒸发丝24的上方，安装于沉积反应室17的上部，
其内设有连接于冷却液管道上的冷却液孔洞，上电极16到下电极29
之间的距离可调节，上电极16经位于沉积反应室17上部的上电极接 线柱引出，下电极29为具有液体冷却功能的电极。上述热蒸发丝24 内设有连接于电极冷却管道21上的冷却液孔洞。
上述下电极29能直接用衬底支架19作下电极；或单独制作下电极 29平板，位于衬底支架19的下方，安装于沉积反应室17下部，下电极 29经位于反应室17下部的下电极接线柱引出。衬底支架19是用来放置 和夹持要制备材料的衬底，位于热蒸发丝24的下方。如果下电极29不 是衬底支架19，则衬底支架19位于下电极29之上，衬底支架19内有 冷却液孔洞，连接到冷却系统，用来冷却衬底支架19与衬底18。衬底 支架19内可设有加热丝用来加热衬底18，或没有加热丝加热衬底18) 衬底支架19上可附有热电偶22或其它测温仪表测量衬底表面温度，热 电偶22与衬底温度控制器23连接，衬底温度控制器23设置在沉积反 应室17外侧。
上述上电极16及下电极2 9用耐高温、电子脱出功小的材料做出， 如Ta、 Mo、 W等。沉积反应室17上还设有沉积反应室窗口 28;热蒸 发丝24由热蒸发丝阵列30组成。
本发明在使用时，衬底支架19相对上电极16及下电极29,或
热蒸发丝24运动，或相对热蒸发丝24和上电极16及下电极29组合
运动，改善衬底1S上沉积材料的均匀性，也可适用化学气相沉积材
料大规模流水线制备。可供选用的一种结构是热蒸发丝24和上电极
16及下电极"固定不动，衬底支架19匀速转动。可选的一种结构
也可是热蒸发丝24和上电极16及下电极29固定不动，连续的衬底
支架l9分别携带衬底18移动进入沉积反应室17内，再匀速转动，
当衬底18上沉积材料后，从真空反应室内移出。可供选用的一种结
构也可是上电极16及下电极29和衬底支架19固定不动，热蒸发丝 24支架匀速转动。前两种可选结构中的热蒸发丝24固定不动，也可 以看成热蒸发丝24不能整体平动，但可以转动一定角度；热蒸发丝 24支架只有一根支柱，热蒸发丝的两极沿着这根支柱相互绝缘引出； 热蒸发丝24支架可绕这根支柱转动一定角度，从位于衬底支架19上 方到远离衬底支架19上方的相互转动。
热蒸发部分在材料沉积过程中进行蒸镀、掺杂、或对材料进行热处 理等。
金刚石薄膜的制备气体混合物是指含有氢和含碳气体的气体混合 物。衬底18被加热到400 100(TC温度范围内。沉积反应室17中气体 混合物的压力保持在10- 500乇范围。上电极16、下电极29之间施加 电压为0 1500v范围内可调。同时可用热蒸发装置进n型或p型掺杂。
在本发明材料制备中基底18相对运动， 一种优选是热蒸发丝24和 上电极16及下电极29固定不动，衬底18匀速转动。 一种优选是热蒸 发丝24和上电极16及下电极29固定不动， 一系列衬底支架19分别携 带衬底18连续的移动进入沉积反应室17内，再匀速转动，当衬底18 上沉积材料后，从沉积反应室17内移出。
以上对本发明优选实施方案的描述是用来说明本发明的原理的，而 不是将本发明限制于所描述的特定实施方案。应当指出，本发明的范围 可由权利要求中包含的所有方案和它们的同等方案来限定。
权利要求
1、一种直流等离子体化学气相沉积设备，包括有沉积反应室(17)、两端分别与沉积反应室(17)相通及与抽气系统连接的管道(20)、用来放置和夹持要制备材料的衬底(18)的衬底支架(19)、由直流等离子体激活部分组成的源气体激活装置，其中源气体激活装置包含上电极(16)、下电极(29)、与冷却系统相通的电极冷却管道(21)和对电极供电的直流电源(26)，上电极(16)及下电极(29)分别置于沉积反应室(17)的上部及下部，直流电源(26)分别与上电极(16)及下电极(29)连接，其特征在于上电极板(16)和衬底(18)之间设有平行放置的热蒸发装置，热蒸发装置包括有热蒸发丝(24)及对热蒸发丝供电的热蒸发丝电源(27)，热蒸发丝(24)安装固定于沉积反应室(17)底座上的热蒸发支架上，热蒸发丝(24)通过沉积反应室(17)上的接线柱(25)与置于沉积反应室(17)外的热蒸发丝电源(27)相接。
2、 根据权利要求l所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在 于上述热蒸发支架为安装固定于沉积反应室(17 )底座上的若干垂直支撑杆， 热蒸发丝(24)与支撑杆连接处用螺丝固定。
3、 根据权利要求2所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在 于上述热蒸发丝(24 )沿垂直的支撑杆可上下移动调节其在支撑杆上的位置， 可调节其到衬底上样品的距离。
4、 根据权利要求l所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在 于上述热蒸发丝(24)用髙熔点金属丝制作，需蒸发材料放置于悬挂在热蒸 发丝(24)上的小舟内；或用需要蒸发、含有需要蒸发材料的低熔点金属丝. 制作。
5、 根据权利要求4所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在于上述热蒸发丝(24)可用钨丝、钽丝或铼丝制作。
6、 根据权利要求1所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在 于上述上电极(16)为含有气体喷射单元和液体冷却液的电极，其位于热 蒸发丝(24)的上方，安装于沉积反应室(17)的上部，其内设有连接于 冷却液管道上的冷却液孔洞，上电极(16)到下电极(29)之间的距离可 调节，上电极(16)经位于沉积反应室(17)上部的上电极接线柱引出， 下电极(29)为具有液体冷却功能的电极。
7、 根据权利要求l所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在 于上述衬底支架(19)内设有连接于电极冷却管道(21)上的冷却液孔洞。
8、 根据权利要求1至7任一项所述的直流等离子体化学气相沉积设备， 其特征在于上述衬底支架(19)上装设有与衬底温度控制器(23)连接的 热电偶(22)，衬底温度控制器(23)设置在沉积反应室(17)外侧。
9、 根据权利要求8所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征在 于上述下电极(29)能直接用衬底支架(19)作下电极；或单独制作下电 极(29)平板，位于衬底支架(19)的下方，安装于沉积反应室(17)下部，下 电极(29)经位于反应室(17)下部的下电极接线柱引出。
10、 根据权利要求9所述的直流等离子体化学气相沉积设备，其特征 在于上述上电极(16)及下电极(29)用耐高温、电子脱出功小的材料做出； 沉积反应室(17)上还设有沉积反应室窗口 (28);热蒸发丝(24)由热蒸 发丝阵列(30)组成。
全文摘要
本发明是一种直流等离子体化学气相沉积设备。包括沉积反应室、两端分别与沉积反应室相通及与抽气系统连接的管道、衬底支架、源气体激活装置，源气体激活装置包含上电极、下电极、电极冷却管道及分别与上电极及下电极连接的直流电源，上电极及下电极分别置于沉积反应室的上部及下部，其中上电极和衬底之间设有平行放置的热蒸发装置，热蒸发装置包括热蒸发丝及对热蒸发丝供电的热蒸发丝电源，热蒸发丝固定于沉积反应室底座上的热蒸发支架上，热蒸发丝通过沉积反应室上的接线柱与置于沉积反应室外的热蒸发丝电源相接。本发明既可进行直流等离子体化学气相沉积处理，又可同时进行热蒸发处理，具有直流等离子体和热蒸发处理组合功能的优点。
文档编号C23C16/50GK101195909SQ20071003182
公开日2008年6月11日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者邵庆益 申请人:华南师范大学